[发明专利]使用单电流传感器和宽带模拟前端的电弧故障检测

说明书

一种用于检测断路器中电弧故障的系统和方法，该系统和方法使用单线圈电流变化率(di/dt)传感器来监控电源线路上的低频交变电流(AC)和宽带高频噪声。di/dt传感器被优化为放大电源线路上可能存在的任何宽带高频噪声，典型地为1MHz至40MHz。代表所监控电流的低频信号(典型地为大约1Hz至10KHz)被提供给具有高增益的有源积分器电路，以实现单线圈灵敏度。为了缩短有源积分器电路的电容器充电时间，在断路器起动时向有源积分器电路提供充电电流。

相关应用的交叉引用

本申请要求2018年6月15日提交的题为“Arc Fault Detection Using SingleCurrent Sensor and Wideband Analog Frontend”的美国专利申请第16/009620号的权益，在此通过引用将其合并在本申请中作为参考。

技术领域

本文公开的实施例一般涉及电子断路器，更具体地，涉及采用单电流传感器来检测电弧故障的断路器。

背景技术

电弧故障的检测一般需要监控AC电源线路中通常由电弧故障产生的低频电流和高频噪声电流。低频信号有助于确认正在监控的现有电源线路中存在电弧故障，并且根据电弧故障电流确定正确的跳闸时限。电弧故障电流是电弧故障检测的非常重要的参数，并且跳闸时限值在电弧故障检测装备的国际标准要求中有规定。

电弧故障检测技术的当前趋势是关注1MHz至40MHz范围内的高频噪声。监控该宽带频率范围有两个主要原因。首先，在该频率范围内进行监控可以最小化AC电源线路上可能存在的对其他设备的负载影响。第二，除了在AC电源线路上通常不使用的范围之外，在该频率范围内还观察到了良好的信号传播(例如50m)。因此，在该范围内的频率可以通过家庭的电源线路网络传送(并因此被检测到)，而不会显著劣化。

包括电弧故障检测功能的现有电子断路器和其他电路中断设备，被称为AFCI(arcfault circuit interrupt，电弧故障电路中断)或AFDD(arc fault detection device，电弧故障检测装备)，通常采用两个电流传感器。一个电流传感器用于监控高频噪声，另一个分开的电流传感器用于监控低频信号。使用独立的高频电流传感器和低频电流传感器有许多好处。例如，每个电流传感器可以针对不同的频率范围进行优化，以确保传感器针对期望的范围输出足够强的信号。

在大多数电子断路器中，电流传感器是电流互感器。该电流互感器可以针对低频信号的检测进行优化(例如，通过使用许多匝次级绕组)，或者可以针对高频噪声的检测进行优化(例如，通过使用铁氧体磁芯和较少匝次级绕组)。

然而，有两个电流互感器会带来一些设计挑战。首先，两个电流互感器占据的两倍空间，这使得难以将两者都容纳在已经拥挤的电子断路器的内部。对于内部间距极其受限的微型断路器(miniature circuit breaker，MCB)来说尤其如此。此外，由电流互感器监控的AC线路电流必须通过两个互感器，这可能会在断路器内呈现额外的机械复杂性。

代替电流互感器，也可以使用di/dt电流传感器，di/dt电流传感器也被本领域技术人员称为“电流变化率”传感器或“电流上升时间”传感器。然而，di/dt传感器提供作为电压信号的输出信号，该输出信号与它的输入信号(通常是线路电流)的变化率成比例。高频信号的变化率高于低频信号，因此di/dt传感器放大高频信号的程度大于低频信号。

在某些情况下，通过使用更多匝次级绕组，可以提高di/dt传感器在低频时的低增益。然而，使用许多匝次级绕组，特别是在紧凑型绕组中，会增加线匝之间的寄生电容耦合，导致它们对高频信号呈现为短路。这种容性耦合可能限制di/dt传感器的频率带宽，因此di/dt传感器需要更展开的次级绕组来提供宽带宽。但是，像在断路器内部一样，在狭窄的空间内部难以实现展开式(spread-out)次级绕组。